CC BY
1DOI: 10.24412/cl-37269-2024-1-188-191
ЗАВИСИМОСТЬ КОЛИЧЕСТВА НЕЗАМЕРЗШЕЙ ВОДЫ ОТ КОНЦЕНТРАЦИИ ПОРОВОГО РАСТВОРА И НАЧАЛЬНОЙ ВЛАЖНОСТИ МЕРЗЛЫХ ГРУНТОВ
Таппырова Н.И., Протодьяконова Н.А., Тимофеев А.М., Степанов А.В., Кравцова О.Н.
Институт физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН обособленное подразделение ФИЦ «Якутский научный центр СО РАН», Якутск
Широкое применение многолетнемерзлых грунтов с различной степенью засоленности в качестве оснований зданий и сооружений вызывает необходимость изучения теплового режима грунтов. В данном докладе представлены результаты экспериментальных исследований и на их основании предложена методика, с помощью которой рассчитывается количество незамерзшей воды в засоленных грунтах.
Распространение засоленных мерзлых грунтов на Арктическом побережье России осложняет строительство и эксплуатацию инженерных сооружений и крупных транспортных объектов, так как данные грунты отличаются низкой несущей способностью и неустойчивостью к техногенным воздействиям [1-3]. Поэтому проблема исследования засоленных мерзлых пород является актуальной и обуславливает необходимость изучения, в том числе, влияния изменения температуры на теплофизические свойства грунтов. В данном докладе предложена методика, с помощью которой рассчитывается количество незамерзшей воды. Эта методика учитывает изменение начальной влажности, а также температуры и концентрации соли как для песчаного, так и для глинистого грунтов.
В работе [4] показана зависимость температуры замерзания от концентрации объемного раствора хлорида натрия (рис. 1а и б). Также на этих рисунках для песчаного и глинистого грунтов пунктирной линией приведена температура замерзания порового раствора грунта [5]
Т = -кС(т), (1)
где с(т) - концентрация соли,%; к = 0,7 .
а б
Рис. 1. Зависимость концентрации раствора от температуры: а - для песчаного грунта,
б - для глинистого грунта. --- объемный раствор ЫаС1,------расчет по (1),
расчет по формулам (3, 6): • - С = 5%, ▲ - С = 10%, ■ - С = 15%
Данные, полученные по формуле (1), практически совпадают с данными для объемного раствора ЫаС1 и не учитывают дисперсность грунта. Это вносит определенную погрешность в определении данной зависимости.
В качестве исследуемых материалов были взяты песчаный и глинистый грунты с территории вблизи г. Якутска.
Пользуясь классическим определением концентрации соли С для талого и мерзлого грунтов и учитывая, что при промерзании влажного засоленного грунта образуется чистый лед и вся оставшаяся вода (незамерзшая) растворяет соль, запишем
Г _тв _ с (т) (2)
W (т) т с ' ()
нву ' нв
где тв - масса воды, кг; Ж - влажность грунта,%; Жнв(Т) - количество незамерзшей воды,%; тнв - масса незамерзшей воды, кг.
При этом
С(Т)=-С*. (3)
w W (т )
Используя экспериментальные данные по фазовому составу порового раствора и меняя значения концентрации соли до замерзания, рассчитывается концентрация порового раствора С(Т) в мерзлом грунте в зависимости от температуры (рис. 1 а, б). На этих рисунках видно, что в зависимости от увеличения концентрации порового раствора температура начала замерзания понижается. При концентрации соли 5% с понижением температуры, при которой замерзает грунт, кривые зависимости С(Т) объемного раствора ЫаС1 и порового раствора в грунте практически идентичны. С дальнейшим повышением начальной концентрации соли наблюдается расхождение. В глинистых грунтах это расхождение можно объяснить наличием прочносвя-занной воды, которая, как известно, не растворяет соли. При этом, происходит смещение равновесной температуры фазового перехода порового раствора, который имеет более высокую концентрацию (рис. 1 б). Исходя из этого, формула (3) будет иметь вид
с (Т ) = -, (4)
4 ' W (Т)-W
нву ' псв
где Жпсв - количество прочносвязанной воды,%.
Для песчаного грунта наблюдается совершенно другая картина: так как практически отсутствует связанная вода в них, то концентрация порового раствора не зависит от температуры замерзания.
В некоторых работах [5-7] приводятся данные о том, что количество незамерзшей воды аддитивно и состоит из двух составляющих
w (т)=w (т)- w' (т), (5)
где W¡i в (Т) - количество незамерзшей воды, которое связано с поверхностью минеральных ча-стиц,%; Wнр (Т) - количество незамерзшей воды, которое зависит от концентрации рас-твора,%.
Предполагая, что количество незамерзшей воды является аддитивной величиной и свойства порового и объемного растворов практически не отличаются, можем записать
с(т)=. (6)
4 ' w (т )-W' (т ) w (т)
нву ' нву ' нрк '
На рис. 1 а, б приведены результаты расчетов по формулам по формулам (3) для песка и (6) для глинистого грунта. Из рисунков видно, что зависимости С(Т) для исследуемых грунтов практически одинаковы с такой же зависимостью для свободного раствора.
Формулу (3) можно записать в виде
с • ^
с(т) = -Ц4 . (7)
^в(т)
Для песчаного грунта, используя формулы (1) и (7), количество незамерзшей воды вычисляется
C0W0 к
W (т ) =
нек ' |т|
(8)
На рис. 2 а приведены результаты расчета Жт(Т) по формуле (8). Видно, что Жт(Т) зависит от начальных значений Ж0 и С0.
WнB,% 16
12
1 -Т, оС 0
5
10
15
20
25
0 5
а б
Рис. 2. Температурная зависимость Wнв ^о = 10%): а - засоленный песчаный грунт, б - засоленный глинистый грунт: эксперимент (♦ - Со = 5% , ■ - Со = 10%, + - Со = 20%); расчет (▲ - Со = 5%, х - Со = 10%, • - Со = 20%)
А для глинистых грунтов, учитывая формулу (2) и аддитивность количества незамерзшей воды, получим формулу для расчета концентрации соли при температуре начала замерзания порового раствора [8]
СА к
W„jT ) = W 0 нв(Т )
не
^0
|т|
(9)
На рис. 2 б приведено сравнение экспериментальных и расчетных зависимостей Wm(T) для разных C0 при Wo = 10%. Сравнение расчетных значений по формулам (8), (9) и экспериментальных при Со равном 5% и 10% показывает хорошее совпадение. Расчеты, проведенные по этим формулам, при начальной концентрации соли выше 10% дают заниженные значения. При этом, в глинистых грунтах количество незамерзшей воды при одной и той же начальной влажности и температуре замерзания выше, чем в песчаных.
На рис. 3а, б приведены зависимости Wm от Т при постоянной концентрации соли 5% для различных значений начальной влажности.
W °/о
25 20 15 10 5 0
WHB,%
Т, оС
25 20 15 10 5 0
0
Т, оС
-25
0 -5 -10 -15 -20 -25
а б
Рис. 3. Температурная зависимость WнB (С = 5%): а - засоленный песчаный грунт, б - засоленный глинистый грунт: эксперимент (♦ - Wо = 5% , ■ - Wо = 10%, + - Wо = 15%, * - Wо = 20%); расчет (▲ - Wо=5%, х - Wо = 10%, • - Wо = 15%, - - Wо = 20%)
8
4
0
+
Видно, что с увеличением начальной влажности в засоленных грунтах происходит увеличение Whb. При этом, чем ниже температура замерзания порового раствора, тем меньше количество незамерзшей воды для любых значений начальной влажности и тем меньше расхождение между количеством незамерзшей воды при различных начальных влажностях и больше совпадения между расчетными и экспериментальными значениями.
Исходя из вышеизложенной методики расчета, проведя один эксперимент при известных значениях начальной влажности и засоленности грунта рассчитываются количество неза-мерзшей воды и концентрация порового раствора для других значений температуры, начальных концентрации и влажности. Для расчета количества незамерзшей воды засоленного песчаного грунта в зависимости от температуры применяется формула (8), а для глинистого -формула (9). Установлено, что при промерзании любого засоленного грунта начальная влажность, концентрация соли и температура замерзания являются одними из основных критериев, влияющих на количество незамерзшей воды в нем.
Литература
1. Черняк Ю.В., Фалалеева А.А., Брушков А.В. Новый подход к выделению границ засоленных мерзлых пород Арктического побережья // Геоэкология. Инженерная геология. Гидрогеология. Геокриология. 2021. № 5. С. 34-44.
2. Xiao Z., Zhu L., Hou Z. The change mechanism and a prédiction model of unfrozen water content in sodium chloride soil // Geoderma. 2022. 419:115881. DOI: 10.1016/j.geoderma.2022.115881.
3. Таппырова Н.И., Тимофеев А.М., Степанов А.В., Кравцова О.Н., Протодьяконова Н.А. Количество незамерзшей воды в засоленных песчаных грунтах // Успехи современного естествознания. 2022. № 12. С. 201-205.
4. Перельман В.И. Краткий справочник химика. М.: Госхимиздат, 1954. 560 с.
5. Ефимов С.С. Влага гигроскопических материалов. Новосибирск: Наука, 1986. 160 с.
6. Вотяков И.Н. Физико-механические свойства мерзлых и оттаивающих грунтов Якутии. Новосибирск: Наука, 1975. 176 с.
7. Гаврильев Р.И. Теплофизические свойства горных пород и напочвенных покровов криолитозоны. Новосибирск: Изд. СО РАН, 1998. 280 с.
8. Протодьяконова Н.А., Тимофеев А.М., Степанов А.В., Кравцова О.Н., Таппы-рова Н.И. Методика расчета количества незамерзшей воды для мерзлых засоленных грунтов // Основания, фундаменты и механика грунтов. 2024.№ 3. С. 22-26.
